[發(fā)明專利]一種普魯士藍(lán)類似物/聚苯胺/碳布復(fù)合柔性電極的制備及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010650615.4
• 申請(qǐng)日: 2020-07-08
• 公開（公告）號(hào): CN111769268B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣陽(yáng);權(quán)俊杰;胥恩澤;朱漢文;李鵬程;阿比比·穆克雷姆·赫利;張家民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

本發(fā)明公開了一種普魯士藍(lán)類似物/聚苯胺/碳布復(fù)合柔性電極的制備及其應(yīng)用，將接枝聚苯胺的碳布通過簡(jiǎn)單的水溶液共沉淀的方法即可得到普魯士藍(lán)類似物/聚苯胺/碳布復(fù)合柔性電極，其中普魯士藍(lán)類似物為立方塊的形狀，鑲嵌在聚苯胺形成的三維網(wǎng)絡(luò)中，使得活性材料不易從碳布上脫落，同時(shí)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚苯胺為活性材料提供了較多的附著位點(diǎn)，提高了普魯士藍(lán)類似物的負(fù)載量。本發(fā)明中，聚苯胺所包覆的普魯士藍(lán)類似物具有開闊的鈉離子擴(kuò)散通道、較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其組裝的鈉離子電池容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好，在柔性可穿戴電池的應(yīng)用中具有巨大的潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈉離子電池正極材料領(lǐng)域，具體涉及一種普魯士藍(lán)類似物/聚苯胺/碳布復(fù)合柔性電極的制備及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

近些年來，隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池的需求也大大增加，但有限的鋰資源限制了鋰離子電池的可持續(xù)發(fā)展。作為同一主族元素的鈉與鋰具有相似的化學(xué)性質(zhì)，且其儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，只要找到合適的正極材料，用鈉代替鋰開發(fā)鈉離子電池完全是可行的。

同時(shí)，隨著人們對(duì)電池多樣化需求的日益加劇，柔性化，功能化的鈉離子電池器件必將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的鈉離子電池電極制備采用涂覆的工藝，將活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑混合后形成的漿料涂覆于金屬集流體上。但是這種結(jié)構(gòu)在拉伸、彎曲及扭轉(zhuǎn)等力的作用下，極易脫落，造成電池的容量損失。碳布基底由于其高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的柔韌性、高的導(dǎo)電性等特點(diǎn)能夠滿足可穿戴、小型化、便攜式柔性電池的需求。許多研究者在借鑒傳統(tǒng)電極片制備的基礎(chǔ)上采用直接將含活性物質(zhì)的漿料涂覆在碳布上，或是采用直接在碳布上生長(zhǎng)活性物質(zhì)的方法。雖然兩種方法都可以將活性物質(zhì)負(fù)載在碳布上得到柔性電極，但是前者依舊要使用到導(dǎo)電炭黑及粘結(jié)劑，降低了質(zhì)量能量密度，后者因活性物質(zhì)與碳布間較弱的結(jié)合力導(dǎo)致得到的電極仍存在活性物質(zhì)脫落的問題。

普魯士藍(lán)因其具有三維開框結(jié)構(gòu)，作為鈉離子電池正極材料具有巨大潛力。但因其自身較低的離子、電子電導(dǎo)率，加之在電化學(xué)反應(yīng)中電極極化嚴(yán)重，在不添加導(dǎo)電炭黑的前提下，難以實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)的高負(fù)載而直接應(yīng)用在柔性電極上。因此，尋求一種低成本，工藝簡(jiǎn)單、活性物質(zhì)負(fù)載量高、極化小的普魯士藍(lán)類似物的柔性電極具有重要的價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種普魯士藍(lán)類似物/聚苯胺/碳布復(fù)合柔性電極的制備及其應(yīng)用。本發(fā)明通過對(duì)碳布進(jìn)行酸化處理，使得碳布表面富含羥基、羧基等親水基團(tuán)，然后接枝的聚苯胺通過氫鍵與碳布緊密結(jié)合在一起，改善了碳布的親水性。

本發(fā)明將Co²⁺摻雜的普魯士藍(lán)類似物作為鈉離子電池的活性物質(zhì)，Co²⁺取代部分與N相連的Fe²⁺，鈷原子具有電化學(xué)活性，參與氧化還原反應(yīng)，從而得到具有高充放電位，高循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能更好的電極活性材料。本發(fā)明將接枝聚苯胺的碳布通過簡(jiǎn)單的水溶液共沉淀的方法即可得到普魯士藍(lán)類似物/聚苯胺/碳布復(fù)合柔性電極，其中普魯士藍(lán)類似物為立方塊的形狀，鑲嵌在聚苯胺形成的三維網(wǎng)絡(luò)中，使得活性材料不易從碳布上脫落，同時(shí)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚苯胺為活性材料提供了較多的附著位點(diǎn)，提高了普魯士藍(lán)類似物的負(fù)載量。聚苯胺一方面具有大量的離域Π電子，可以提高電極的電子電導(dǎo)率，另一方面在電化學(xué)過程中可以通過聚合物的鏈段運(yùn)動(dòng)傳輸鈉離子，進(jìn)而改善活性材料的離子電導(dǎo)率，最終抑制了柔性電極的電化學(xué)極化，提升了其倍率性能。

本發(fā)明普魯士藍(lán)類似物/聚苯胺/碳布復(fù)合柔性電極的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：清洗

碳布用打孔器制得直徑為14毫米的圓片，將碳布圓片依次浸泡在丙酮和乙醇中，分別超聲清洗30min，烘干待用；

步驟2：酸化

將步驟1處理過的碳布圓片浸泡在硫酸和硝酸的混合液中，85℃下浸泡三小時(shí)，去離子水洗至中性，烘干待用；

步驟3：接枝